(57)【要約】【課題】  リードフレーム基材と封止樹脂との熱膨張係数の違いに起因する半導体装置の欠陥の防止を可能にする半導体装置用リードフレームを提供すること。【解決手段】  本発明の半導体装置用リードフレームは、半導体チップを搭載するステージ部、ステージ部につながるインナーリード部、インナーリード部につながるアウターリード部を有する半導体装置用リードフレームであって、リードフレームを構成する基材Ｂ上に、その表面から順次形成した、（１）ニッケル（Ｎｉ）層１、（２）パラジウム（Ｐｄ）又はパラジウム合金層２、（３）スズ（Ｓｎ）もしくはスズ合金層又は亜鉛（Ｚｎ）又は亜鉛合金層３、３ａ、３ｂ、及び（４）金（Ａｕ）層４、４ａ、４ｂを有する半導体装置用リードフレームである。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップを搭載するステージ部、ステージ部につながるインナーリード部、インナーリード部につながるアウターリード部を有する半導体装置用リードフレームであって、リードフレームを構成する基材上に、その表面から順次形成した、
（１）ニッケル（Ｎｉ）層、
（２）パラジウム（Ｐｄ）又はパラジウム合金層、
（３）スズ（Ｓｎ）もしくはスズ合金層、又は亜鉛（Ｚｎ）又は亜鉛合金層、及び
（４）金（Ａｕ）層、
を有することを特徴とする半導体装置用リードフレーム。
【請求項２】
（２）のＰｄ又はＰｄ合金層の厚さが０．００５〜０．０５μｍ、（３）のＳｎもしくはＳｎ合金層又はＺｎもしくはＺｎ合金層の厚さが０．００１〜０．０５μｍ、（４）のＡｕ層の厚さが０．００１〜０．１μｍである、請求項１に記載の半導体装置用リードフレーム。
【請求項３】
（２）のＰｄ又はＰｄ合金層の上に、（３）のＳｎもしくはＳｎ合金層又はＺｎもしくはＺｎ合金層と（４）のＡｕ層の組み合わせが一組存在する、請求項１又は２に記載の半導体装置用リードフレーム。
【請求項４】
（２）のＰｄ又はＰｄ合金層の上に、（３）のＳｎもしくはＳｎ合金層又はＺｎもしくはＺｎ合金層と（４）のＡｕ層の組み合わせが複数組存在する、請求項１又は２に記載の半導体装置用リードフレーム。
【請求項５】
（１）〜（４）の層がリードフレームを構成する基材の全面に形成されている、請求項１から４までのいずれか一つに記載の半導体装置用リードフレーム。
【請求項６】
（１）〜（４）の層がリードフレームを構成する基材の一部分だけに形成されている、請求項１から４までのいずれか一つに記載の半導体装置用リードフレーム。
【請求項７】
（１）〜（４）の層がリードフレームの少なくともアウターリード部に形成されている、請求項６に記載の半導体装置用リードフレーム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置用リードフレームに関し、より詳しく言えば、封止樹脂との密着性が向上し、且つ良好なはんだ濡れ性も兼ね備えた半導体装置用リードフレームに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置用リードフレームは、半導体チップを樹脂材料で封止してリードフレームと一体化して得られる半導体装置を基板等に実装するのに使用される。リードフレームは一般に、半導体チップを搭載するステージ部、ステージ部につながり、半導体チップの電極にワイヤボンディングにより電気的に接続するインナーリード部、インナーリード部につながり、半導体装置を基板等に実装する場合の外部接続端子となるアウターリード部等を有する。このようなリードフレームには、チップを封止する樹脂材料との密着性や、実装相手の基板等に対してはんだ等により接合する際のアウターリードの良好な接合性などが要求される。
【０００３】
図６は、半導体装置用リードフレームの一例を示す平面図である。このリードフレーム１０において、１２はアウターリード、１４はインナーリード、１６は半導体チップ（図示せず）が搭載されるチップ搭載部を形成するステージ部で、サポートバー１８によりレール２０、２０に接続されている。２２はダムバーである。
【０００４】
リードフレーム１０のステージ部１６に半導体チップ（図示せず）が搭載される。この半導体チップとインナーリード１４とをワイヤでボンディング接続し、図６の破線の領域内の半導体チップ、ワイヤ及びインナーリード１４を樹脂により封止して、半導体装置が完成される。この半導体装置を基板等へ実装するのには、一般にははんだ付けが利用されており、近年ではアウターリード１２上に予めはんだ皮膜（「外装はんだめっき皮膜」とも呼ばれる）を形成したリードフレームが多く用いられている。
【０００５】
外装はんだめっき皮膜を施さずに半導体装置の基板への実装を可能にするリードフレームとして、リードフレームのための基材の上に、下地層のニッケル（Ｎｉ）めっき層、バラジウム（Ｐｄ）又はＰｄ合金めっき皮膜中間層、金（Ａｕ）めっき皮膜又は銀（Ａｇ）めっき皮膜表面層を順次形成したリードフレーム（一般にＰｄ−ＰＰＦ（Ｐａｌｌａｄｉｕｍ  Ｐｒｅ−Ｐｌａｔｅｄ  Ｌｅａｄ  Ｆｒａｍｅ）と呼ばれる）が知られている（特許文献１参照）。
【０００６】
リードフレーム基材上にはんだ以外の材料の外装めっきを施した半導体装置用リードフレームの他の従来例として、特許文献２には、リードフレームの基材上にＮｉ系めっき層を有し、その上の少なくともインナーリード部及びアウターリード部にＰｄ又はＰｄ合金めっき層を有し、その上にＡｕめっき層を有するリードフレームが開示されている。特許文献３にも、ほぼ同様のめっきを施したリードフレームが開示されている。特許文献４には、リードフレームの基材上にＮｉ系めっきの保護層と、Ｐｄ又はＰｄ合金めっきの中間層を設け、その上にＰｄとＡｕを交互にめっきして最外層としたものが開示されている。
【０００７】
一方、半導体装置を基板等に実装するのに用いられるはんだ材料としては、近年、環境保護の観点から鉛（Ｐｂ）を含まないはんだを用いることが一般化しつつある。このような無鉛はんだ材料として実用されているのは、スズ−亜鉛（Ｓｎ−Ｚｎ）系はんだ、スズ−銀−銅（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ）系はんだ等である。
【０００８】
【特許文献１】特開平４−１１５５５８号公報
【特許文献２】特開平４−３３７６５７号公報
【特許文献３】特開平１１−１１１９０９号公報
【特許文献４】特開２００１−１１０９７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
リードフレームのための基材上にＮｉめっき層、Ｐｄ又はＰｄ合金めっき層、Ａｕめっき層を順次形成したこれまでのリードフレーム（いわゆるＡｕ／Ｐｄ／Ｎｉリードフレーム）に半導体チップを搭載し、樹脂材料で封止した半導体装置を、従来広く用いられてきたスズ−鉛はんだに代えて無鉛はんだを使って実装する場合、使用する無鉛はんだの融点が従来のスズ−鉛はんだのそれより高いために、はんだリフロー温度を高くする必要がある。例えば、最近使用されるようになったＳｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだの融点は２１７℃であり、そのリフローのためには２４０〜２５０℃程度の温度が使用されている。
【００１０】
リフロー温度が高くなると、リードフレーム基材の金属材料と封止樹脂の熱膨張係数の違いにより、リードフレームから封止樹脂が剥離しやすくなる。剥離により生じた隙間には、封止樹脂として一般に用いられるエポキシ系樹脂に吸湿性があるのも手伝って、水分が侵入しやすく、それが後の熱処理時に気化して、封止樹脂のクラックや半導体チップの破損等の重大な欠陥の原因となる。
【００１１】
本発明の課題は、リードフレーム基材と封止樹脂との熱膨張係数の違いに起因する半導体装置の欠陥の防止を可能にする半導体装置用リードフレームを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の半導体装置用リードフレームは、半導体チップを搭載するステージ部、ステージ部につながるインナーリード部、インナーリード部につながるアウターリード部を有する半導体装置用リードフレームであって、リードフレームを構成する基材上に、その表面から順次形成した、（１）ニッケル（Ｎｉ）層、（２）パラジウム（Ｐｄ）又はパラジウム合金層、（３）スズ（Ｓｎ）もしくはスズ合金層、又は亜鉛（Ｚｎ）又は亜鉛合金層、及び（４）金（Ａｕ）層を有することを特徴とする。
【００１３】
好ましくは、（２）のＰｄ又はＰｄ合金層の厚さは０．００５〜０．０５μｍ、（３）のＳｎもしくはＳｎ合金層又はＺｎもしくはＺｎ合金層の厚さは０．００１〜０．０５μｍ、（４）のＡｕ層の厚さは０．００１〜０．１μｍである。
【００１４】
（２）のＰｄ又はＰｄ合金層の上の（３）のＳｎもしくはＳｎ合金層又はＺｎもしくはＺｎ合金層と（４）のＡｕ層の組み合わせは、一組であってもよく、あるいは複数組であってもよい。これら２つの層の組み合わせを一組だけ用いる場合は、上述の（３）の層と（４）の層のそれぞれの好ましい厚さは、各層の厚さに相当する。その一方、複数組の組み合わせを用いる場合には、（３）の各層の厚さの合計と（４）の各層の厚さの合計が、それぞれ上述の厚さの範囲内（（３）の層では０．００１〜０．０５μｍ、（４）の層では０．００１〜０．１μｍ）であるのが好ましい。
【００１５】
上記（１）〜（４）の層は、リードフレームを構成する基材の全面に形成してもよく、一部だけに形成してもよい。後者の場合、（１）〜（４）の層は、少なくともアウターリード部に形成される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明により、封止樹脂との密着性が向上した半導体装置用リードフレームを、基板等への実装時に必要とされるはんだ濡れ広がり性を損なうことなしに、提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の半導体装置用リードフレームにおける典型的な層構造を説明する図１（ａ）の断面図に示したように、本発明の半導体装置用リードフレームでは、基材Ｂの上に、その表面から順次、Ｎｉ層１、Ｐｄ又はＰｄ合金層２、ＳｎもしくはＳｎ合金層（又はＺｎもしくはＺｎ合金層）３、Ａｕ層４が形成されている。この層構造は、これまでのＰｄ−ＰＰＦ（いわゆるＡｕ／Ｐｄ／Ｎｉリードフレーム）のＡｕの表層のＰｄの中間層との間に、ＳｎもしくはＳｎ合金層又はＺｎもしくはＺｎ合金層を配置したものに当たる。
【００１８】
このように、本発明のリードフレームにおける基材Ｂ、Ｎｉ層１、Ｐｄ又はＰｄ合金層２、Ａｕ層４は、従来のＰｄ−ＰＰＦで使用されているものと基本的に同様のものである。
【００１９】
具体的には、基材Ｂは、通常のリードフレームで用いられる材料、例えばＣｕ又はＣｕ合金、あるいはＦｅ−Ｎｉ合金などから製作することができる。
【００２０】
基材Ｂの上に位置するＮｉ層１は、０．０５〜３μｍの厚さで形成することができる。０．０５μｍ未満の厚さでは、Ｃｕの拡散により、実装時のはんだ濡れ性を確保するのが難しく、３μｍを超えると、アウターリードフォーミング時にめっきにクラックが生じ、基材が露出してしまう。
【００２１】
Ｎｉ層１の上のＰｄ又はＰｄ合金層２は、０．００５〜０．０５μｍの範囲の厚さで形成することができる。０．００５μｍ未満の厚さでは、Ｎｉの拡散により、実装時のはんだ濡れ性の確保が難しく、０．０５μｍを超えると、実装時にＰｄがはんだ中に溶融拡散しきれないために、濡れ広がりが悪化してしまう。
【００２２】
最上層のＡｕ層４は、０．００１〜０．１μｍの厚さで形成することができる。厚さが０．００１μｍに満たない場合、Ｓｎ及びＺｎの拡散により、実装時のはんだ濡れ性の確保が難しく、０．１μｍを超える場合、実装時にＡｕがＳｎと合金層を形成し、接合強度を低下させてしまう。
【００２３】
Ｐｄ又はＰｄ合金層２とＡｕ層４との間に配置される層３は、ＳｎもしくはＳｎ合金、又はＺｎもしくはＺｎ合金で形成される。ここでの「Ｓｎ合金」とは、Ｓｎとその他の金属種との合金を意味し、「Ｚｎ合金」とは、Ｚｎとその他の金属種との合金を意味する。例えば、ＳｎとＺｎとの合金（Ｓｎ−Ｚｎ合金）は、両方のカテゴリーに含まれ、本発明で用いられるＳｎ合金又はＺｎ合金として好適な合金の一つである。
【００２４】
ＳｎもしくはＳｎ合金（又はＺｎもしくはＺｎ合金）層３の厚さは、０．００１〜０．０５μｍであるのが好ましい。０．００１μｍ未満では、リードフレームと封止樹脂との熱膨張係数の違いによる密着性の低下を防止するのに不足し、０．０５μｍを超えると、その欠陥防止向上効果が飽和する上に、実装のためのはんだリフロー時のはんだの濡れ広がり性が阻害される。好ましくは、ＳｎもしくはＳｎ合金層（又はＺｎもしくはＺｎ合金層）３の厚さは０．００５〜０．０５μｍの範囲である。
【００２５】
層１〜４は、薄膜を形成する任意の方法で形成することができる。例えば、電解めっき、無電解めっき、スパッタリングなどの広く知られた方法を利用することができる。一般的に好ましいのは、電解めっき法である。
【００２６】
図１（ａ）に示した本発明による典型的な層構造のリードフレームの好適な態様では、Ｃｕ合金又はＦｅ−Ｎｉ合金の基材上に厚さ０．５μｍのＮｉ下地層が位置し、その上に厚さ０．０１５μｍのＰｄ中間層が位置し、更にその上に厚さ０．０１μｍのＳｎ層と最上層の厚さ０．００７μｍのＡｕ層が配置される。
【００２７】
ＳｎもしくはＳｎ合金（又はＺｎもしくはＺｎ合金）層３とその上のＡｕ層４の組み合わせは、一組であってもよく、あるいは複数組であってもよい。言い換えれば、Ｐｄ又はＰｄ合金層２の上に、それぞれ複数のＳｎもしくはＳｎ合金（又はＺｎもしくはＺｎ合金）層とＡｕ層を交互に形成することができる。複数のＳｎもしくはＳｎ合金（又はＺｎもしくはＺｎ合金）層とＡｕ層を備えたリードフレームの例を図１（ｂ）に示す。図１（ｂ）のリードフレームでは、Ｐｄ又はＰｄ合金層２の上に、交互に形成されたＳｎもしくはＳｎ合金（又はＺｎもしくはＺｎ合金）層３ａ、３ｂとＡｕ層４ａ、４ｂが位置している。ＳｎもしくはＳｎ合金（又はＺｎもしくはＺｎ合金）層とその上のＡｕ層の組み合わせを複数組用いる態様の場合、ＳｎもしくはＳｎ合金（又はＺｎもしくはＺｎ合金）層の合計の厚さは、０．００１〜０．０５μｍの範囲内であるのが好ましい。
【００２８】
基材Ｂ上の層（（図１（ａ）の態様では層１〜４、図１（ｂ）の態様では層１〜４ｂ）は、基材Ｂの全面に形成してもよく、一部だけに形成してもよい。後者の場合、それらは、少なくともアウターリード部又はステージ部に形成される。
【００２９】
図２に、リードフレームと封止樹脂との密着試験の結果を示す。この密着試験は、Ｃｕ基材上に、厚さ１μｍのＮｉ層、厚さ０．０１μｍのＰｄ層、Ｓｎ層、厚さ０．００７μｍのＡｕ層を、めっき法で順次形成したテストリードフレーム試料を使って行った。Ｓｎ層の厚さは、０．００５〜０．１μｍの間で変化させた。封止樹脂としてＣＥＬ９２００（日立化成社製）を使用した。テストリードフレームの前処理として、１７５℃で１時間の熱処理（リードフレームにチップを搭載するのに用いるダイボンディング用接着剤の硬化条件を擬態）と、その後の２４０℃で１分間の熱処理（ホットプレート上でのワイヤボンド時の加熱条件を擬態）を行った。図３に示すように、前処理を施したテストリードフレーム３１の上に封止樹脂３２の円錐台（底面の直径３．５６８ｍｍ、上面の直径３ｍｍ、高さ３ｍｍ）を形成し、矢印Ｆで示すようにリードフレーム表面と平行な剪断力を作用させて、リードフレーム３１から樹脂３２が剥離するときの剪断強度を測定した。測定は、試料ごとに、樹脂の円錐台成形後と、成形に続き３００℃で１０秒間加熱（半導体装置実装時のはんだリフロー条件を擬態）後に行った。
【００３０】
図４に、リードフレーム上のはんだ濡れ広がり試験の結果を示す。このはんだ濡れ広がり試験は、上述の密着試験で使用したのと同じテストリードフレーム試料を使って行った。テストリードフレーム上に配置したメタルマスクの孔にはんだペーストを充填してからメタルマスクを取り除くことにより、図５に示したように、テストリードフレーム５１上にはんだペースト５２を直径１．５７ｍｍ、高さ０．１５ｍｍのパッド状に成形して塗布した。使用したはんだペーストは、千住金属工業社製Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだペーストのＭ７０５−２２１ＣＭ５−４２−１１であった。塗布したはんだペーストを２３０℃で１分間加熱してリフローさせ、任意方向の径を測定し、５データの平均を求めて、はんだ濡れ広がり率をリフロー前の直径に対するリフロー後の平均径の比として計算した。ペースト塗布前に４００℃で３０秒間加熱したテストリードフレーム試料を使って、同様の実験を行った。Ｐｄ層とＡｕ層との間に挿入したＳｎ層の厚さが０．１μｍの試料では、リードフレームを４００℃で加熱後にペーストを塗布した場合に径が縮小し、はんだ濡れ広がり性が悪化することが示された。
【００３１】
これらの結果から、Ｓｎ層の厚さは０．００１〜０．０５μｍであるのが好ましいことが分かった。
【００３２】
リードフレームの表装材料として使用される貴金属（Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ）と一般的に使用されるエポキシ系封止樹脂とは、密着性が乏しいことが知られている。一方、ＣｕやＮｉのような材料は、その表面が酸化することにより、エポキシ系封止樹脂と水素結合を行って、封止樹脂との密着性が向上することが知られている。ところが、リードフレームの表層に酸化した金属が存在すると、リードフレームのはんだ濡れ広がり性を著しく低下させ、実装障害の原因になることも知られている。従って、これまでのリードフレームでは、密着性を確保しようとするとはんだ濡れ広がり性が犠牲になり、逆の場合も同様であった。
【００３３】
それに反して、本発明によって良好なはんだ濡れ広がり性を維持しつつ封止樹脂との密着性が向上するのは、次の理由によるものと考えられる。例えば表層のＡｕの下にＳｎ層を配置した場合、実装時のはんだリフロー温度での加熱により、Ａｕ層のＡｕとＳｎ層のＳｎは固相拡散により一部がそれぞれ相手側のＳｎ層とＡｕ層へ移動する。その結果、最上層であるＡｕ層の表面に、Ａｕに加えてＳｎも存在するようになる。この表面のＡｕのために、はんだ濡れ広がり性が確保され、その一方、表面に現れたＳｎが適度に酸化されて、封止樹脂との密着性の向上に寄与するものと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明による半導体装置用リードフレームにおける層構成を説明する断面図である。
【図２】リードフレームと封止樹脂との密着試験の結果を示すグラフである。
【図３】密着試験で使用した試料を説明する斜視図である。
【図４】はんだ濡れ広がり性試験の結果を示すグラフである。
【図５】はんだ濡れ広がり性試験で使用した試料を説明する斜視図である。
【図６】リードフレームの平面図である。
【符号の説明】
【００３５】
Ｂ    基材
１    Ｎｉ層
２    Ｐｄ又はＰｄ合金層
３、３ａ、３ｂ    ＳｎもしくはＳｎ合金層又はＺｎもしくはＺｎ合金層
４、４ａ、４ｂ    Ａｕ層
１０    リードフレーム
１２    アウターリード
１４    インナーリード
１６    ステージ部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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